李江海，章雨，王洪浩，王殿舉

（1.造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.北京大學(xué) 石油與天然氣研究中心，北京 100871）

0 引言

塔里木盆地庫車前陸沖斷帶油氣資源豐富，尤其是克深—大北含油氣區(qū)區(qū)帶面積達(dá)629.4 km2，天然氣資源量達(dá)10 797.62×108m3[1]，具有良好的勘探前景。該區(qū)含豐富鹽巖層，鹽巖流動變形強(qiáng)烈，鹽上層多發(fā)育與滑脫相關(guān)的褶皺，鹽下層變形以沖斷為主，發(fā)育斷層相關(guān)褶皺及基底斷塊[2-5]。前人相關(guān)研究主要在以下幾個方面：①依據(jù)薄膜理論，借助彈塑性模型，認(rèn)為庫車前陸沖斷帶西段鹽構(gòu)造發(fā)育的初期階段，控制鹽體運動與鹽構(gòu)造發(fā)育的主要因素是由拜城凹陷巨厚沉積物所導(dǎo)致的沉積差異負(fù)載作用，而后期影響庫車坳陷鹽構(gòu)造發(fā)育的最主要因素則是擠壓應(yīng)力[6]；②基于地震解釋和平衡剖面研究，提出了吐孜瑪扎鹽墻和卻勒鹽推覆體的演化模式[7]；③基于物理模擬實驗認(rèn)為庫車鹽構(gòu)造變形主要受區(qū)域擠壓和同構(gòu)造沉積作用的影響[8]；④綜合二維物理模擬實驗和數(shù)值模擬研究，總結(jié)了鹽巖邊界、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化、差異負(fù)載（沉積負(fù)載和局部構(gòu)造負(fù)載）3個因素對庫車坳陷鹽構(gòu)造的影響作用[9]；⑤基于二維離散元模擬研究，認(rèn)為應(yīng)變速率大小和作用時間、鹽巖展布形態(tài)、先存鹽底辟、基底先存斷裂以及基底古隆起等因素控制了庫車前陸沖斷帶鹽構(gòu)造的形成[10]。然而，以上研究均是基于二維數(shù)據(jù)的研究結(jié)果，僅能對單一剖面進(jìn)行模擬，不能從三維空間反映出鹽巖在垂直于主應(yīng)力方向上的側(cè)向流動及構(gòu)造樣式，造成了鹽構(gòu)造形成機(jī)制認(rèn)識不透徹。

相較于二維離散元模型顆粒間的赫茲模型（Hertz-Mindlin model），三維離散元數(shù)值模擬提供的線彈性模型（linear springs model），能夠?qū)︻w粒和墻面單元的法向剛度和切向剛度兩個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，地下鹽巖近似于牛頓流體，當(dāng)顆粒與顆?；蛘哳w粒與墻體之間發(fā)生接觸時，它們之間的作用力可通過力-位移關(guān)系計算得到，在分析大位移問題上具有更大的優(yōu)越性[11]。同時，允許顆粒之間進(jìn)行平行粘結(jié)，類似于有一定體積的膠結(jié)材料作用在距接觸點一定范圍內(nèi)，既能傳遞力又能傳遞力矩，可以更好的表現(xiàn)不同巖石的性質(zhì)，更適用研究顆粒集合體的破裂以及流動問題[12]。本文結(jié)合前人理論認(rèn)識，以克深和大北兩個工區(qū)為例，采用三維離散元數(shù)值模擬方法，通過對鹽構(gòu)造主應(yīng)力方向和垂直擠壓方向的構(gòu)造分析，探討庫車前陸沖斷帶西部鹽構(gòu)造形成的控制因素及其形成機(jī)理。

1 地質(zhì)背景

庫車前陸沖斷帶位于塔里木盆地北部，夾持于南天山造山帶與塔北隆起之間，古近紀(jì)至中新世，庫車地區(qū)處于鹽湖、干旱湖泊-鹽湖的環(huán)境下，主要沉積了古近系庫姆格列木群膏鹽巖和新近系吉迪克組膏鹽巖，構(gòu)成了地區(qū)最主要的滑脫層，以庫車為界，前陸沖斷帶西部主要發(fā)育庫姆格列木群（E1—2km）鹽巖，分布范圍較廣，厚度較大，最厚處超過6 000 m；東部主要發(fā)育吉迪克組（N1j）鹽巖，分布面積較小，厚度也相對較小，最厚處約1 800 m[4-5,13-16]（見圖1）。強(qiáng)烈的擠壓作用和鹽巖滑脫層的存在導(dǎo)致庫車前陸沖斷帶構(gòu)造變形在整體上具有“南北分帶、東西分段、上下分層”的特征，即從西到東以烏什凹陷、拜城凹陷和陽霞凹陷為主體分為 3段；自北而南劃分為北部單斜帶、克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶、烏什—拜城—陽霞凹陷帶、秋里塔格構(gòu)造帶、南部斜坡帶共 5個構(gòu)造變形帶[3,17-19]，其中，收縮型強(qiáng)變形帶（克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶、秋里塔格構(gòu)造帶）分隔弱變形帶（北部單斜帶、中部凹陷帶、南部斜坡帶）?？松睢蟊比S地震工區(qū)位于庫車前陸沖斷帶西部，庫姆格列木群鹽巖的存在，導(dǎo)致本區(qū)具有分層變形的特征[6]。

圖1 庫車前陸沖斷帶構(gòu)造分區(qū)及鹽巖層厚度分布圖

2 克深—大北三維工區(qū)地震解釋

基于三維地震數(shù)據(jù)解釋可以看出，克深和大北工區(qū)地下鹽巖的空間展布存在較大差異（見圖2）。在東部的克深1-2工區(qū)，鹽巖主要集中在北部由鹽下逆沖斷層形成的斷層三角帶中，南部則發(fā)育鹽撤向斜，鹽巖在向斜核部最薄，在部分區(qū)域甚至出現(xiàn)鹽焊接構(gòu)造；而在西部的大北工區(qū)，鹽巖主要集中在南部的鹽背斜（大宛齊背斜）中，在背斜核部鹽巖最厚可超過6 000 m。在大北工區(qū)北部，鹽巖受吐孜瑪扎斷層影響，發(fā)育鹽刺穿構(gòu)造。在部分區(qū)域，鹽巖隨逆沖斷層沖破地表，形成鹽墻（吐孜瑪扎鹽墻）構(gòu)造。在位于克深 1-2工區(qū)和大北工區(qū)之間的克深 5工區(qū)，地下鹽巖空間展布具有過渡的性質(zhì)，在北部和南部均發(fā)育有鹽巖厚度中心。

圖2 克深—大北三維地震工區(qū)聯(lián)合深度剖面

以過克深 4井的骨干剖面（深度剖面）為例（見圖3），克深工區(qū)變形主要集中在北部的擠壓端，鹽上層、鹽巖層及鹽下層變形樣式存在較大區(qū)別。鹽上層變形以寬緩的大規(guī)模向斜為主，并顯示了生長地層的特征，在靠近擠壓端的部分區(qū)域，發(fā)育有滑脫褶皺和沖斷層；鹽巖層厚度從北向南變化較大，鹽巖多集中在靠近北部的斷層三角帶中，而南部鹽巖層厚度較?。畸}下層發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層，越靠近擠壓端，鹽下地層的抬升幅度越大，斷層的斷距也越大，遠(yuǎn)離擠壓端的部分區(qū)域，發(fā)育有雙沖構(gòu)造。另外，從東到西，克深工區(qū)在平行主應(yīng)力方向剖面上的變形樣式大致相似。

以過大北 3井的骨干剖面（深度剖面）為例（見圖4），大北工區(qū)鹽巖主要集中在南部的鹽背斜中，在剖面北部鹽巖發(fā)生底辟形成鹽墻（吐孜瑪扎鹽墻）構(gòu)造，在鹽背斜與鹽墻接觸的部位，鹽巖減薄。鹽下層變形樣式與克深工區(qū)類似，發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層。鹽上層在遠(yuǎn)離擠壓端的位置發(fā)育背斜構(gòu)造，在鹽背斜和鹽墻接觸的部位發(fā)育小規(guī)模向斜構(gòu)造，向斜的一翼被鹽墻截切。從東到西，大北工區(qū)在平行主應(yīng)力方向剖面上的變形樣式存在一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在工區(qū)中部平行主應(yīng)力方向的剖面上南部大宛齊背斜的隆升幅度較大，鹽巖層厚度較大，而向兩側(cè)大宛齊背斜隆升幅度逐漸減小，鹽巖層厚度也逐漸減小。

圖3 庫車前陸沖斷帶西部克深工區(qū)過克深4井骨干地震剖面解釋圖（剖面位置見圖1，據(jù)文獻(xiàn)[10]）

圖4 庫車前陸沖斷帶西部大北工區(qū)過大北3井骨干地震剖面解釋圖（剖面位置見圖1）

3 離散元數(shù)值模擬方法和初始模型設(shè)計

3.1 離散元方法和實驗參數(shù)

離散元方法是一種基于離散顆粒間接觸準(zhǔn)則的數(shù)值模擬方法。通過時間-位移有限差分方法，計算顆粒在牛頓定律下移動，能有效模擬彈塑性變形過程[20]。離散元方法基于應(yīng)力與位移準(zhǔn)則進(jìn)行微粒位移變形計算，并允許微粒間的滑動與破裂，適應(yīng)于大應(yīng)變量構(gòu)造變形樣式分析模擬實驗，被廣泛應(yīng)用于模擬淺層地殼結(jié)構(gòu)、斷裂系及剪切帶變形過程[21-23]。本文采用離散元三維模擬的線彈性模型，其顆粒和墻面單元具有法向剛度和切向剛度兩個基本參數(shù)，當(dāng)顆粒與顆?；蛘哳w粒與墻體之間發(fā)生接觸時，它們之間的作用力可通過力-位移關(guān)系計算得到。

數(shù)值模擬研究中，首先設(shè)定模型不同的邊界條件，經(jīng)過多次調(diào)試，建立基礎(chǔ)幾何模型。模型與實際地質(zhì)體尺寸按1︰100比例設(shè)置，在長250 m（x軸）、寬250 m（y軸）、高150 m（z軸）的空間范圍內(nèi)，按照顆粒半徑為1.5～2.0 m隨機(jī)生成顆粒，后設(shè)置重力因素，讓顆粒在重力狀態(tài)下自然壓實并達(dá)到平衡，然后逐步刪除頂部的顆粒，僅保留250 m×250 m×60 m范圍內(nèi)的顆粒。后對顆粒進(jìn)行屬性賦值，球心z軸坐標(biāo)范圍為0～20 m的顆粒設(shè)置為鹽下層，范圍在20～35 m的顆粒設(shè)置為鹽巖層，范圍在35～60 m的顆粒設(shè)置為鹽上層。選取每層的中間層位設(shè)置標(biāo)志層，便于對后期變形構(gòu)造進(jìn)行識別。

合理的參數(shù)是數(shù)值模擬實驗的基礎(chǔ)。在通過三維顆粒流分析程序（PFC3D）進(jìn)行離散元數(shù)值模擬實驗時，多通過三軸力學(xué)模擬實驗的方法來確定顆粒的微觀參數(shù)。三軸力學(xué)模擬實驗?zāi)Ｐ褪怯梢粋€圓柱形墻面圍繞生成的顆粒體以及上下兩面壓縮板組成的。其中，上下兩面壓縮板在試樣壓縮過程中，上墻面對試樣進(jìn)行壓縮剪切，下墻面保持不動；圓柱形墻面在壓縮剪切過程中通過伺服系統(tǒng)維持恒定圍壓的工作。應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的收集與整理是根據(jù)跟蹤墻面所受力的情況以及墻面相對位移決定的。通過大量的三軸力學(xué)模擬實驗，并不斷調(diào)整模型中顆粒的參數(shù)，根據(jù)比較模擬結(jié)果與試驗室內(nèi)的結(jié)果，兩者吻合度很高時，數(shù)模模型中的各參數(shù)值就是實際材料的各微觀參數(shù)值。但在具體操作過程中，由于缺少庫車前陸沖斷帶西部鹽上層、鹽巖層及鹽下層完整的三軸力學(xué)實驗數(shù)據(jù)，基于塔里木物探中心地質(zhì)力學(xué)室?guī)r石試驗及前人研究可獲得的庫車前陸沖斷帶西部鹽上層、鹽巖層和鹽下層部分巖石力學(xué)參數(shù)如下：鹽上層和鹽下層巖石密度分別為2 400 kg/m3和2 600 kg/m3，巖石的彈性模量、泊松比和內(nèi)聚力均為60 MPa、0.25和10 MPa，內(nèi)摩擦角分別為35°和40°。鹽巖層黏度為1×1019Pa，體積模量和剪切模量分別為1×104MPa和1×103MPa[9,24-26]。本文在實驗參數(shù)的選取中采用三軸力學(xué)模擬實驗調(diào)試并參考前人相關(guān)模擬參數(shù)的方法[27-29]，具體采用的顆粒相關(guān)參數(shù)可見表1。

表1 離散元模擬巖石微觀物理學(xué)參數(shù)

本文認(rèn)為地下鹽巖近似于牛頓流體，采用的模型為線性模型，而鹽上地層和鹽下地層則均采用常用的平行粘結(jié)模型[30-32]，顆粒之間通過平行粘結(jié)進(jìn)行接觸，既能傳遞力，也能傳遞力矩。在鹽巖顆粒與鹽上地層及鹽下地層接觸的邊界，顆粒之間采用的模型也是平行黏結(jié)模型，具體參數(shù)可見表1。此外，在模擬過程中墻體的法向剛度和切向剛度均設(shè)置為 1×1010N/m，墻體與顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5，模型右側(cè)剛性墻體以1 m/s的速率向x軸負(fù)方向進(jìn)行擠壓。

3.2 初始模型設(shè)計

在以上工作的基礎(chǔ)上，實際工區(qū)的初始模型建立，參考了前人物理、數(shù)值模擬實驗以及平衡剖面研究總結(jié)的演化模式[7,33]及鹽巖變形的影響因素，包括：鹽巖分布[6]、基底構(gòu)造[15]、先存斷裂、先存底辟[10]以及南天山差異推覆作用影響[34-35]。

3.2.1 克深工區(qū)初始模型

模型在擠壓端設(shè)置了 2條先存斷裂，分別為過點（170，0，20）與y軸平行，與xOy平面夾角呈 45°的平面以及過點（205，0，25）與y軸平行，與xOy平面夾角呈60°的平面。先存斷裂導(dǎo)致靠近擠壓端的基底發(fā)生抬升，抬升呈階梯狀，被抬升的鹽下層厚度分別為25 m、30 m，而遠(yuǎn)離擠壓端鹽下層的厚度為20 m。基底形態(tài)的改變同樣影響了鹽巖層的厚度，在靠近擠壓端鹽巖層厚度最薄，為5 m，而遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖層的厚度為15 m，鹽巖層頂部與水平面平行（見圖5）。

此外，還在上述模型的基礎(chǔ)上添加了顆粒的同沉積作用。本模型中同沉積顆粒共設(shè)置了 2批，在初始模型中設(shè)置了第1批同沉積顆粒，第1批同沉積顆粒共5 000個，大小為1.5～2.0 m，顆粒在x軸范圍為0～125 m、y軸范圍為0～250 m、z軸范圍為100～125 m內(nèi)隨機(jī)生成（見圖5），顆粒的自身屬性與鹽上層顆粒屬性保持一致，在重力作用下，逐漸下落至穩(wěn)定，用以模擬同沉積作用在擠壓過程中對于模型的影響。模型在運行100 000步時，設(shè)置第2批同沉積顆粒，第2批同沉積顆粒的生成范圍、屬性均與第 1批同沉積顆粒相同。

圖5 庫車前陸沖斷帶西部克深工區(qū)三維離散元模型圖

3.2.2 大北工區(qū)初始模型

大北工區(qū)南部大宛齊背斜處發(fā)育古鹽湖的中心[36]，因此本模型在遠(yuǎn)離擠壓端的位置增加了鹽巖層的厚度，且鹽巖層的厚度向周緣呈階梯狀遞減，用來模擬古鹽湖沉積。其中在x軸范圍為30～110 m、y軸范圍為85～165 m，鹽巖厚度最厚，為27 m；在x軸范圍為20～120 m、y軸范圍為75～175 m，鹽巖層厚度為23 m；在x軸范圍為10～130 m、y軸范圍為65～185 m，鹽巖層厚度為19 m；在其余范圍內(nèi)，鹽巖層厚度為15 m（見圖6）。此外，大北工區(qū)北部吐孜瑪扎鹽墻由先存鹽底辟發(fā)育而來[7]，因此本模型在靠近擠壓端的位置設(shè)置了先存線狀鹽底辟。先存線狀鹽底辟位于鹽巖層之上，其延伸方向與y軸方向平行，底辟最右端距擠壓墻體65 m，寬度為20 m，高度為20 m，底辟頂部在xOz平面上具有一定的弧度。

然后在模型靠近擠壓端的位置設(shè)置了 5條先存斷裂，分別為過點（125，0，20）、（150，0，20）、（175，0，20）、（200，0，20）、（225，0，20）與y軸平行，與xOy平面夾角呈45°的平面。本模型與克深工區(qū)模型不同，未設(shè)置靠近擠壓端的基底隆起，先存斷裂未刺穿到鹽巖層內(nèi)部。此外，本模型同樣添加了顆粒的同沉積作用，同沉積顆粒共設(shè)置了 2批，在初始模型中設(shè)置了第1批同沉積顆粒，第1批同沉積顆粒共2 000個，顆粒大小為1.5～2.0 m，顆粒在x軸范圍為100～150 m、y軸范圍為0～250 m、z軸范圍為100～120 m隨機(jī)生成（見圖6）。同樣，模型在運行100 000步時，設(shè)置第2批同沉積顆粒，第2批同沉積顆粒的生成范圍、屬性均與第1批同沉積顆粒相同。

圖6 庫車前陸沖斷帶西部大北工區(qū)三維離散元模型圖

4 離散元數(shù)值模擬變形結(jié)果分析

4.1 克深工區(qū)模型模擬結(jié)果

從主應(yīng)力方向的剖面（過點（0，125，0），法向量為（0，1，0））中可以看出，模型的變形主要集中在擠壓端，且變形是前展式的，靠近擠壓端的鹽下層先存斷裂最先活化，基底早期隆起發(fā)生進(jìn)一步抬升，隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行，模型的縮短量進(jìn)一步增加，先存斷層傾角逐漸增大，斷距逐漸增加，刺穿到鹽巖層內(nèi)部。且向遠(yuǎn)離擠壓端的方向，鹽下地層新的逆沖斷層逐漸發(fā)育，形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造（見圖7）?？拷鼣D壓端的鹽上地層在擠壓作用下形成大規(guī)模背斜，而同沉積作用導(dǎo)致遠(yuǎn)離擠壓端的鹽上地層厚度增加，并形成大規(guī)模的向斜構(gòu)造。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行，向斜和背斜的結(jié)合部位逐漸變得陡立，在模型運算到200 000步時，其翼部發(fā)生倒轉(zhuǎn)，形成倒轉(zhuǎn)背斜和倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造（見圖7）。

考慮到后期的剝蝕去頂作用，對模型中部平行主應(yīng)力方向的剖面進(jìn)行頂部截切（見圖8b）?；趯Ρ瓤梢钥闯?，模型運算140 000步后過模型中部平行主應(yīng)力方向剝蝕去頂后的剖面與克深工區(qū)過克深 4井骨干地震剖面（見圖3）在形態(tài)上具有較大的相似性。

對比遠(yuǎn)離擠壓端（過點（100，0，0），法向量（1，0，0））和靠近擠壓端（過點（150，0，0），法向量（1，0，0））垂直主應(yīng)力方向的剖面，模擬結(jié)果可以看出，在遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上，各層變形較弱，鹽內(nèi)幕標(biāo)志層基本未發(fā)生變形，而在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上，由于剖面橫切過鹽巖的厚度中心，鹽巖層厚度較大，且鹽巖層頂面呈現(xiàn)出不規(guī)則的樣式（見圖9）。此外，在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上，鹽內(nèi)幕標(biāo)志層可見復(fù)雜的褶皺樣式，部分區(qū)域存在標(biāo)志層錯斷的現(xiàn)象，表明靠近擠壓端的位置，鹽巖存在較強(qiáng)的側(cè)向流動。

圖10計算了模型140 000步顆粒運動矢量。從圖中可以看出，隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行，模型中顆?？拷鼣D壓端運動速率較大，遠(yuǎn)離擠壓端運動速率非常小，運動速率最大的區(qū)域為鹽上層靠近擠壓端的位置，鹽巖層至鹽下層顆粒運動速率逐漸減小，說明構(gòu)造變形基本集中在靠近擠壓端，從鹽下層至鹽上層變形逐漸增強(qiáng)，本區(qū)巖石容易破裂形成逆沖斷裂。此外，鹽巖層顆粒具有相對較大的向上的速度分量，導(dǎo)致擠壓區(qū)巖層逐漸上拱形成背斜，且垂直主應(yīng)力方向上顆粒有向中部運動的速度分量，且越靠近中部、運動速率越大，說明背斜內(nèi)部鹽巖層較厚并具有復(fù)雜的內(nèi)幕構(gòu)造。

圖7 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖（主應(yīng)力方向）

圖8 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖（模型中部位置）

圖9 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖

圖10 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化顆粒運動矢量圖

4.2 大北工區(qū)模型模擬結(jié)果

從大北工區(qū)模擬結(jié)果主應(yīng)力方向剖面中可以看出（見圖11），模型的變形是前展式的，變形更多的集中在擠壓端。鹽下層變形相對簡單，先存斷裂發(fā)生再活化，斷層的斷距逐漸增加，且靠近擠壓端的斷層傾角逐漸增大。在模型運算150 000步及200 000步過模型中部平行主應(yīng)力方向的剖面上，可見新的基底斷裂發(fā)育。鹽巖層的變形以流動變形為主，持續(xù)的擠壓作用導(dǎo)致靠近擠壓端的先存鹽底辟在剖面上的寬度逐漸變窄，但底辟高度逐漸增加，形成鹽墻構(gòu)造，且鹽墻逐漸向遠(yuǎn)離擠壓端發(fā)生傾斜。在遠(yuǎn)離擠壓端，前期設(shè)置的鹽巖厚度中心在擠壓作用下形成鹽背斜。而同沉積作用形成的差異負(fù)載導(dǎo)致模型中部的鹽巖層發(fā)生減薄，鹽巖更多的向遠(yuǎn)離擠壓端的鹽背斜聚集。鹽上層變形以褶皺變形為主，在擠壓作用下，靠近擠壓端和遠(yuǎn)離擠壓端的鹽上層發(fā)育背斜，而模型中部在同沉積作用下發(fā)生沉降，形成向斜構(gòu)造。同時，鹽底辟兩側(cè)鹽上層的標(biāo)志層可見錯斷現(xiàn)象。

基于模型中部平行主應(yīng)力方向剝蝕去頂后的剖面與大北工區(qū)過大北 3井骨干地震剖面，在形態(tài)上具有較大的相似性（見圖12）。除鹽下層逆沖斷層的具體數(shù)量及鹽墻的形態(tài)與實際地震剖面存在一定差別外，模擬結(jié)果中鹽上層、鹽巖層及鹽下層的變形樣式與實際地震剖面非常類似。

圖11 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖（主應(yīng)力方向，地層劃分及擠壓方向同圖6）

圖12 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖（模型中部位置）

圖13 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖

遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向選取過點（70，0，0）、法向量（1，0，0）的剖面，剖面橫切過鹽背斜；靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向選取過點（155，0，0）、法向量（1，0，0）的剖面，剖面橫切過鹽墻。從圖13中可以看出，在遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上，各層變形較弱，鹽內(nèi)幕標(biāo)志層僅在局部形成小規(guī)模褶皺，表明在遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖的側(cè)向流動較弱。而在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上，由于剖面橫切過鹽底辟，剖面上鹽巖展布較為復(fù)雜，部分鹽體在剖面上與鹽源層分離。且由于邊界墻體的阻礙作用，在剖面的兩側(cè)，可見鹽上層標(biāo)志層被鹽底辟錯斷的現(xiàn)象。鹽內(nèi)幕標(biāo)志層相比遠(yuǎn)離擠壓端剖面變形更加復(fù)雜，褶皺變形的幅度更加強(qiáng)烈，在部分區(qū)域可見標(biāo)志層錯斷的現(xiàn)象，表明在靠近擠壓端鹽巖的流動性更強(qiáng)。

圖14為模型運算140 000步顆粒運動矢量。從圖中可以看出，隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行，模型中顆?？拷鼣D壓端運動速率較大，遠(yuǎn)離擠壓端運動速率較小，但速率減慢相對平緩，遠(yuǎn)離擠壓端仍具有一定的運動速率，說明在先存線狀鹽底辟及初始鹽巖沉積中心的影響下，地層受擠壓變形的范圍更大。先存底辟、鹽巖沉積中心及其鹽上層顆粒均有相對較大的向上的速度分量，導(dǎo)致靠近擠壓端底辟逐漸上拱形成鹽墻、遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖及上覆層逐漸上隆。此外，垂直主應(yīng)力方向上兩側(cè)顆粒有向中部運動的速度分量，中部顆粒則表現(xiàn)為向上和沿擠壓力方向向前的運動趨勢，導(dǎo)致鹽巖逐漸向中部聚集并在中部上拱，鹽內(nèi)幕構(gòu)造更加復(fù)雜。

圖14 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化顆粒運動矢量圖

5 討論

三維離散元數(shù)值模擬過程較為復(fù)雜，計算量與二維離散元數(shù)值模擬相比呈指數(shù)增長，對特定研究區(qū)的定量模擬難度較大[20-23]。庫車前陸沖斷帶西部克深、大北工區(qū)鹽構(gòu)造樣式復(fù)雜且研究區(qū)范圍較大，在模擬中主要采用定性模擬的方法，通過設(shè)定模型不同的邊界條件，來探討本區(qū)鹽構(gòu)造形成的主控因素。與二維模擬結(jié)果相比，三維模擬可以更好地探討不同因素對于鹽構(gòu)造及鹽內(nèi)幕構(gòu)造的影響，能夠?qū)χ鲬?yīng)力方向剖面及垂直主應(yīng)力方向的剖面模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，兩個方向上鹽構(gòu)造均有明顯的分段性，且模擬結(jié)果與實際地質(zhì)現(xiàn)象較為符合。

研究區(qū)是由于印度板塊和歐亞板塊碰撞，導(dǎo)致天山新生代再活化，并在南天山山前形成前陸沖斷帶[37]?？松罟^(qū)和大北工區(qū)處于相同的盆山構(gòu)造體系，鹽構(gòu)造在主應(yīng)力方向上變形整體上是前展式的，主要集中在山前，局部存在垂向遷移?？松罟^(qū)山前的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化，使早期隆升的基底進(jìn)一步發(fā)生抬升[15]，隨著擠壓應(yīng)力的向前傳播，新的逆沖斷層在鹽下不斷發(fā)育，形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造。鹽巖層的形態(tài)受到山前擠壓作用和同沉積作用的雙重影響，遠(yuǎn)離山前的同沉積作用會對鹽巖層形成差異負(fù)載，導(dǎo)致遠(yuǎn)離山前的鹽巖具有鹽撤的趨勢，而山前的擠壓作用導(dǎo)致鹽巖層有向遠(yuǎn)離山前流動的趨勢，在同沉積作用和擠壓作用的雙重作用下，遠(yuǎn)離山前的鹽巖層厚度基本保持穩(wěn)定，而在山前，鹽巖同時具有沿斷裂隆升部位向上運動的速度分量，并在鹽下基底斷層形成的鹽三角帶中聚集，形成本區(qū)鹽巖的厚度中心。大北工區(qū)來自山前的擠壓應(yīng)力同樣導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化，逐漸發(fā)育新的逆沖斷層并形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造。此外，漸新統(tǒng)蘇維依組—第四系礫巖為山前河流-洪積扇相沉積，前積作用導(dǎo)致鹽上存在差異負(fù)載，進(jìn)而形成先存底辟[7]。擠壓應(yīng)力導(dǎo)致先存線狀鹽底辟進(jìn)一步發(fā)育，鹽巖在沿主應(yīng)力方向運動時相對于周圍地層有較大的垂向運動的速度分量，形成吐孜瑪扎鹽墻。據(jù)文獻(xiàn)[36]，大宛齊背斜處發(fā)育有古鹽湖的沉積中心，原地積聚有較厚的鹽層，鹽巖后期同沉積作用形成的差異負(fù)載導(dǎo)致工區(qū)中部的鹽巖層發(fā)生減薄，鹽巖繼續(xù)在大宛齊鹽背斜處聚集并上隆，形成工區(qū)的厚度中心。

垂直主應(yīng)力方向的剖面顯示，在擠壓端位置，兩個工區(qū)兩側(cè)鹽巖有向中部運動的速度分量，中部則表現(xiàn)為向上和沿擠壓力方向向前的運動趨勢，且越靠近中部運動速率越大，導(dǎo)致鹽巖逐漸向中部聚集并在中部上拱，鹽內(nèi)幕構(gòu)造更加復(fù)雜，形成的鹽構(gòu)造以復(fù)雜褶皺樣式為主，且存在與源鹽分離的構(gòu)造組合，按此趨勢，在部分區(qū)域（尤其在工區(qū)中部），鹽巖會隨逆沖斷層沖破地表；而在遠(yuǎn)離擠壓端，鹽巖仍有向中部運動的速度分量，但側(cè)向流動能力相對降低，各層變形減弱，在非厚層原始鹽巖沉積區(qū)，鹽內(nèi)幕標(biāo)志層僅在局部形成小規(guī)模褶皺。

6 結(jié)論

基于數(shù)值模擬與工區(qū)真實剖面對比，可認(rèn)為靠近擠壓端基底的早期隆起、先存斷裂以及同沉積作用是影響克深工區(qū)鹽構(gòu)造樣式形成的重要因素，而鹽巖層的初始沉積中心、先存鹽底辟、先存斷裂系以及同沉積作用是影響大北工區(qū)鹽構(gòu)造樣式形成的重要因素。

三維離散元數(shù)值模擬表明，顆粒的運動主要集中在靠近擠壓端，從鹽下層至鹽上層逐漸增強(qiáng)?？松詈痛蟊惫^(qū)的變形是前展式的，集中在山前，來自山前的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化，同時新的逆沖斷層從鹽下開始不斷發(fā)育，形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造?？拷角暗柠}內(nèi)及鹽上變形更為強(qiáng)烈，發(fā)育復(fù)雜的褶皺樣式。

克深工區(qū)在遠(yuǎn)離山前的同沉積作用及山前的擠壓作用下，遠(yuǎn)離山前的鹽巖層厚度基本保持穩(wěn)定，而在山前，由于早期隆升的基底進(jìn)一步抬升，鹽巖層具有相對較大的向上速度分量，導(dǎo)致巖層逐漸上拱形成背斜，鹽巖集中在鹽下基底斷層形成的鹽三角帶中，形成鹽巖的厚度中心。

大北工區(qū)靠近山前線狀鹽底辟在擠壓應(yīng)力下，具有向上運動的速度分量，進(jìn)一步發(fā)育形成吐孜瑪扎鹽墻，工區(qū)中部的鹽巖層因后期同沉積作用形成的差異負(fù)載而減薄，鹽巖向古鹽湖的沉積中心處運動并向上聚集，逐漸形成大宛齊背斜，成為鹽巖的厚度中心。

相較于二維模擬研究，三維模擬能夠完成鹽構(gòu)造主應(yīng)力方向及其垂直方向的多角度分析，鹽構(gòu)造形成過程中主要在靠近擠壓端的鹽巖具有較強(qiáng)的側(cè)向流動性，鹽巖有向中部運動的速度分量，且越靠近中部運動速率越大，導(dǎo)致鹽巖向中部聚集并強(qiáng)烈變形，發(fā)育復(fù)雜的褶皺樣式并出現(xiàn)鹽構(gòu)造與源鹽分離的構(gòu)造組合，局部隨逆沖斷層沖破地表。

致謝：感謝中國石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院黃少英、能源、王兵和曹淑娟等專家在地震資料處理工作中的耐心指導(dǎo)與幫助！